Любительская астрономия по-настоящему или почему получилось только сейчас?

[обсудить на форуме]

Вступление

Еще несколько лет назад, изучая странички русскоязычных сайтов по теме любительская радиоастрономия, любительский радиотелескоп, коллективные радионаблюдения и т.д., я подсознательно соглашался с авторами постов, что это достаточно сложное дело, но сознание стремилось в дальний космос. Изучая зарубежную схемотехнику и технологию построения радиотелескопов в любительских условиях, я понимал, что возможностей, особенно материальных, у зарубежных радиоастрономов-любителей (далее РЛ) намного больше, чем у нас. Наличие современных дорогостоящих приборов: анализаторов спектра, генераторов и т.д., плюс малошумящая элементная база у иностранцев намного превосходила наши возможности. В то время уже проводились радионаблюдения ближнего космоса любителями из Белоруссии, России и Украины. В основном наши РЛ наблюдали Солнце, Юпитер и метеорные потоки. Радионаблюдения объектов дальнего космоса, таких как радиогалактики, сверхновые, пульсары, квазары и т.д. предпринимались в основном РЛ из Европы, Америки и Австралии. Но пускай дальше, чем ближний космос и обсуждения, на сайтах у нас дело не шло, зато за столько лет обсуждений была всесторонне обговорена теоретическая часть не только простых радиотелескопов - радиомеров, но и радиотелескопов - интерферометров. Обсуждались современные методы апертурного синтеза, построение радиоизображений объектов дальнего космоса и даже обсуждались принципы радиоинтерферометров сверхдлинной базы (РСДБ) с разрешением на порядок выше, чем в близкой всем нам оптической астрономии. Так что наши РЛ подвели неплохую общетеоретическую, описательную базу для создания настоящего любительского радиотелескопа для наблюдений объектов дальнего космоса.

 

Немного теории

Но почему всё-таки радиоастрономия так сильно привлекает? Да потому, что радиодиапазон электромагнитного спектра огромен по сравнению, например, с оптическим. 

 

 

Световые лучи - не единственные вестники далеких космических миров. Космос пронизан и другими видами электромагнитных излучений. Это радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Все эти излучения несут ценнейшую информацию о физических явлениях во Вселенной.

 

Те космические объекты, которые мы наблюдаем в оптическом диапазоне - Солнце, звезды, планеты, галактики, туманности - являются источниками радиоизлучения. Широта спектра радиодиапазона дает широкие возможности наблюдения и изучения этих объектов космоса в разных спектральных линиях. На разных частотах радиодиапазона может быть получена совершенно разная, очень ценная информация о физических процессах, происходящих в данном объекте.

 

Радиоастрономия очень быстро стала незаменимым методом изучения Вселенной. Дело в том, что радиоволны хорошо проникают сквозь межзвездную среду, космическую пыль и поэтому приходят к нам из таких районов космоса, откуда видимый свет дойти не может. Благодаря этому радиотелескопы позволили астрономам заглянуть в самые потаенные уголки Вселенной, недоступные оптическим телескопам.

 

Кроме того, источниками космического радиоизлучения, как правило, бывают объекты, где происходят активные физические процессы. А именно такие объекты представляют наибольший интерес для познания самых глубоких закономерностей строения и развития материи во Вселенной. Не случайно с помощью радиоастрономии удалось обнаружить целый ряд неизвестных ранее космических объектов, в том числе источники чудовищных энергий - квазары и сверхплотные нейтронные звезды - пульсары.

И еще немаловажные факторы в пользу радиоастрономии: при наблюдениях в диапазоне длин волн от 30м до 1см погода и атмосфера практически на влияет на прохождение радиосигнала. Наблюдения можно проводить в любое время суток. Разрешающая способность наземных оптических телескопов ограничена турбуленцией атмосферы и составляет не многим более 1 угл.сек. Радиотелескоп, работающий в режиме РСДБ, может иметь разрешение 0.0001 угл.сек. Также большая широта спектра радиодиапазона увеличивает вероятность принять сигнал от инопланетных цивилизаций, чем и занимаются радиообсерватории в том числе и любительские по программе SETI.

 

Задача выбора радиочастот и принципа работы радиотелескопа для любительской радиоастрономии сводилась к решению нескольких подзадач.

 

1. Выбор метода приема и обработки радиосигнала.

Зная, что радиосигналы от космических радиоисточников намного слабее, чем общий радиофон, состоящий из естественного и искусственного радиошума плюс шум приемной системы, был выбран двухэлементный радиотелескоп-интерферометр с корреляцией фазы. Так как естественный шум и шум приемной системы могут иметь случайный характер, то путем многократного усреднения по времени можно свести его к минимуму на стадии цифровой обработки. Искусственный шум будет давиться фильтрами, установленными сразу после приемного элемента антенны.

 

2. Выбор частотного диапазона.

Для минимизации размеров антенной и приемной аппаратуры, а также имея желание исследовать космос на частоте водорода - 1421МГц, был принят диапазон частот от 1000МГц до 2000МГц . Данный диапазон частот подходит для передачи по коаксиальному кабелю от антенн к приемнику, а если взять готовые цифровые тюнеры промышленного производства, которые используются в спутниковых ресиверах, то паять и изобретать сложные СВЧ схемы вообще не придется. Кстати частота этих тюнеров как раз 950-2150Мгц, что нам и нужно.

 

3. Размер и сложность изготовления антенны.

Учитывая выбранный выше частотный диапазон и необходимость иметь как можно более узкую диаграмму направленности одной антенны, в системе двухэлементного интерферометра была выбрана прямофокусная параболическая антенна размером 1.8м, применявшаяся в спутниковом телевидении до того, как стали широко применяться офсетные антенны небольших диаметров. В качестве облучателя в фокусе антенны был установлен полуволновой диполь, изготовленный из медных трубок телескопической антенны бытового приемника. Минимальное использование «очумелых ручек» опять таки налицо. Берется все готовое с крыш соседских многоэтажек, но только не используемое и с разрешения!!! В качестве МШУ (малошумящий усилитель) используется линейный усилитель от спутникового ТВ, предназначенный для компенсации потерь в очень длинных коаксиальных проводах.

 

4. Создание программного обеспечения и АЦП для цифрового ввода и обработки сигналов на компьютере.

АЦП было создано на основе быстродействующей USB-микросхемы, программное обеспечение создавалось на VC++.

 

Почему удалось с минимальными затратами и в кратчайшие сроки построить радиотелескоп только сейчас?

 

Да потому, что во время начала развития тем по любительской радиоастрономии на российских сайтах, а это было 8-10 лет назад, прямофокусные параболические антенны и цифровые тюнеры, которые могли бы подойти для таких задач, стоили не дешево для того, чтобы их запросто перебирать, модернизировать и ставить над ними эксперименты для радиоастрономии. А разрабатывать и изготавливать в домашних условиях схемотехнику для СВЧ самостоятельно не каждый опытный радиолюбитель решится т.к. СВЧ-техника - очень капризная штука. И дорогая (медные волноводы и резонаторы, покрытые серебром и золотом, дорогая и дефицитная элементная база). А сейчас прямофокусные алюминиевые параболические антенны, используемые в спутниковом телевидении, полностью заменены маленькими железными офсетками. Параболы же теперь гниют на крышах и стенах многоэтажек, бери - не хочу. Вот они нам как раз и нужны, причем? чем больше диаметром, тем лучше.

 

То же самое произошло и с цифровыми тюнерами от спутниковых ресиверов. Не смотря на то, что цифровые тюнеры от спутниковых ресиверов и карт и так производились почти в интегральном исполнении и содержали внутри себя все, что нам нужно для наших целей, их стали заменять цифровые тюнеры в виде одной специализированной микросхемы. Поэтому теперь спутниковый ресивер стал еще доступнее для широких масс, а предыдущие ресиверы и DVB-карты, в которых есть так необходимые нам цифровые тюнеры предыдущей разработки, оказались на прилавках торговцев радиохламом на радиорынках за 5-10$.

 

К делу!

 

Для реализации всей системы от антенны до компьютера нам необходимо иметь все в двух экземплярах: две антенны, два МШУ, два цифровых тюнера, у каждого из которых удаляется собственный кварцевый резонатор и они подключаются к общему генератору для режима интерферометра, а также два АЦП для каждого из тюнеров.

 

Детали монтажа и настройки системы выходят за рамки этой статьи. Могу сказать только, что пайка требуется только в межблочных соединениях и при изготовлении полуволновых диполей. Если соединить между собой все правильно, система начнет работать сразу, т.к. не требует сложной настройки.

 

К основным самым мощным объектам дальнего космоса, которые мы должны увидеть при первом свете (как говорят оптические астрономы) нашего радиотелескопа, относятся радиоисточники: Кассиопея А (сверхновая), Лебедь А (двухкомпонентная радиогалактика размером 2 угл.мин.), Телец А (Крабовидная туманность М1, сверхновая, пульсар), Дева А (радиогалактика М87), а также радиоисточник 3С400 в созвездии Орла. Основной тест приемной части и настройки антенны нашего радиотелескопа в любительских условиях были выполнены по Солнцу.

 

Вот что получилось в итоге.

 

 

 

 

 

 

 

Радиотелескоп - интерферометр был испытан в мобильном варианте с параболическими антеннами 1.2м, базой от 10м до 20м, на частоте 1145МГц. Чувствительность данной конфигурации на частоте 1145МГц по радиоисточникам составила примерно 250 Янских. В городских условиях, из-за большого уровня шума применялись узкополосные резонаторные фильтры, что привело к снижению чувствительности на 30%.

 

Дальнейшие задачи по развитию данной системы.

 

1. Увеличение диаметров антенн и базы между ними, для повышения чувствительности разрешающей способности.

 

2. Формирование радиоизображения небесной сферы и отдельных радиоисточников за счет увеличения количества элементов радиоинтерферометра и вращения земли.

 

3. Испытание данной системы в режиме РСДБ, с синхронизацией от GPS и применением высокостабильных термостатированных кварцевых резонаторов.

Александр Плаха

 
Яндекс цитирования